Tìm cực trị đại số

Một số phơng pháp giải toán cực trị phần ! : Bài toán cực trị Phần đại số A . Yêu cầu A . một số Kiến thức cơ bản 1. Định nghĩa Cho biểu thức f(x) xác định trên D a) Ta nói rằng M = const là giá trị lớn nhất của f(x) trên D nếu hai điều kiện sau đồng thời đợc thoả mãn 1 o . f(x) M với x D 2 o . Tồn tại x 0 D sao cho f(x 0 ) = M. kí hiệu là max f(x) = M b) Ta nói rằng m = const là giá trị nhỏ nhất của f(x) rtên D nếu thoả mãn đồng thời hai điều kiện sau: 1 o . f(x) m với x D 2 o . Tồn tại x 0 D sao cho f(x 0 ) = m. 2. Các b ớc cơ bản tiến hành giải toán cực trị - B ớc 1 : Chứng minh bất đẳng thức: f(x) m (hoặc f(x) M) với x D. - B ớc 2: Chỉ ra giá trị x 0 D để: f(x 0 ) = m f(x 0 ) = M) - B ớc 3 Kết luận: Với giá trị x 0 D thì f(x) đạt: MxMaxf Dx o = )( mxM D x = 0 )inf( Chú ý : 1 / Nếu chỉ chứng minh đợc f (x) m hoặc f(x) M thì cha đủ để kết luận về GTLN hoặc GTLN Ví dụ : Tìm GTNN của biểu thức A = (x - 1) 2 +(x-3) 2 Giải : Ta có (x-1) 2 0 x (1) ( x - 3 ) 2 0 (2) A 0 x nhng không thể kết luận đợc Min A = 0 vì không xảy ra đồng thời hai BĐT (1) và (2). Ta có: f(x) = x 2 - 2x + 1 + x 2 -6x + 9 = 2 ( x 2 - 4x + 2 ) = 2 ( x - 2 ) 2 + 2 2 1 Một số phơng pháp giải toán cực trị Vậy Min A = 2 x - 2 = 0 x = 2 2/ Một biểu thức có thể có GTNN, GTLN hoặc chỉ có một trong hai giá trị trên B. Phơng pháp cơ bản và ví dụ Ph ơng pháp 1 : Sử dụng bất đẳng thức 1.1. Nội dung ph ơng pháp + Dùng bất đẳng thức đã biết vào chứng minh f(x) m (hoặc f(x) M) với x D + Chỉ ra sự tồn tại x 0 D để "bất đẳng thức" trở thành "đẳng thức" (dấu "=" xảy ra). 1.2. Kiến thức bổ sung a) Bất đẳng thức cô si + Với a,b > 0, a,b D thì ab ba + 2 Dấu = xảy ra khi a= b + Tổng quá: Với n số dơng a 1 , a 2 , ., a n D thì: n n n aaa n aaa . . 21 21 +++ Dấu bằng xảy ra khi a 1 = a 2 = . = a n . b) Bất đẳng thức Bunhiacopski + Nếu a 1 , a 2 , ., a n và b 1 , b 2 , ., b n là 2n số tuỳ ý thì: ( )( ) ( ) 2 2211 22 2 2 1 22 2 2 1 . nnnn babababbbaaa +++++++++ Dấu "=" xảy ra n n b a b a b a === . 2 2 1 1 . (Quy ớc nếu a i = 0 thì b i = 0 i = 0, 1, 2, 3, . n) c) Bất đẳng thức trị tuyệt đối *. 0 a a D dấu bằng xảy ra a = 0 * baba ++ với a,b D dấu bằng xảy ra a.b 0. Tổng quát : a 1 , a 2 , ., a n D thì nn aaaaaa ++++++ 2121 Dấu bằng xảy ra khi đôi một cùng dấu. 2 Một số phơng pháp giải toán cực trị *. baba dấu bằng xảy ra khi a.b 0 d) Với a b > 0 thì ba 11 dấu bằng xảy ra khi a = b. e) 2 + a b b a ( a, b > 0 ) dấu bằng xảy ra khi a = b. 1.3. Ví dụ minh hoạ Ví dụ 1 : Tìm giá trị nhỏ nhất của hàm số f(x,y,z) = x 4 + y 4 + z 4 xét trên miền D ={(x,y,z) : xy +yz +zx = 4} Tìm xem vận dụng BĐT nào cho bài toán này là điều khó khăn nhất đói với học sinh . Tuy nhiên có thể thấy rằng có thể vận dụng BĐT Bunhiacopski cho 2 dãy số x,y,z và y,z ,x ta có ( x 2 + y 2 + z 2 ) ( xy + yz + zx ) 2 Từ đó ta suy ra nếu ( x, y, z ) D Thì ( x 2 + y 2 + z 2 ) 16 Lại áp dụng BĐT Bunhiacopski cho 2 dãy số x 2 ,y 2 ,z 2 và 1,1 ,1 ta có 3 ( x 4 + y 4 +z 4 ) ( x 2 + y 2 + z 2 ) 2 (2) Từ (1) và (2) f(x,y,z) > 16/3 (x,.y,z) D Mặt khác f ( 3 2 , 3 2 , 3 2 ) = 3 16 và ( 3 2 , 3 2 , 3 2 ) D Vậy Min f (x,y,z) = 16/3 Ví dụ 2: Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức B = + x x 1 với x 1,y 2 , z 3 A = + x x 1 + y y 2 + z z 3 áp dụng bất đẳng thức cô si cho hai số không âm 1 và x - 1 ta có: ( ) 22 11 1.1 xx x = + Tơng tự : 22 2 22 . 2 1 2 2 1 2 yy yy = + = 32 2 33 . 3 1 3 3 1 3 zz zz = + = A z z y y x x 3222 2 ++ A 32 1 22 1 2 1 ++ 3 Một số phơng pháp giải toán cực trị Dấu "=" xảy ra = = = 6 4 2 z y x Max A = 32 1 22 1 2 1 ++ = = = 6 4 2 z y x Ví dụ 3: Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức: a) D = 12 + xx b) Cho x 1 , x 2 , . , x 2004 thoả mãn 2005 . 200421 =+++ xxx Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức E = 1 .11 200421 +++ xxx Giải: a) áp dụng bất đẳng thức baba ++ dấu "=" xảy ra khi a.b 0 Ta có D = 11212 =++ xxxx Dấu "=" xảy ra khi và chỉ khi (x-2)(1-x) 0 1 x 2 Vậy Min D = 1 khi 1 x 2 b) Vận dụng bất đẳng thức baba Dấu "=" xảy ra khi ab 0. Ta có: 11 11 xx 11 22 xx . 11 20042004 xx Cộng vế với vế các bất đẳng thức trên ta đợc: E = 1 .11 200421 +++ xxx 200421 . xxx +++ - 12004 1 .11 só +++ = 2005 - 2004 = 1 Vậy E 1 Dấu "=" xảy ra khi x 1 , x 2 , . x 2004 0 và 200421 . xxx +++ = 2005 Những sai lầm th ờng gặp của dạng toán này 4 Một số phơng pháp giải toán cực trị Sai lầm thờng gặp khi vận dung BĐT rất phổ biến là : - Điều kiện tồn tại BĐT - Dấu bằng của BĐT không xảy ra với những giá trị tìm đợc Ví dụ 3 : Với x , y , z , t > 0 Tìm giá trị nhỏ nhất của A = t xzy z txy y xzt x tzy xzy t txy z xzt y tzy x ++ + ++ + ++ + ++ + ++ + ++ + ++ + ++ Học sinh có thể ngộ nhận và vận dụng ngay BĐT 2 + a b b a ( a, b > 0 ) dấu bằng xảy ra khi a = b Để ra ngay kết quả A 8 Min A = 8 0 ==== ++= ++= ++= ++= tzyx zyxt yxtz xtzy tzyx Điều này hoàn toàn không xảy ra vì A không tồn tại với x = y = z = t = 0 Đây là những sai lầm thờng gặp mà nhiệm vụ của ngời thầy là phải chỉ ra đợc những sai lầm để các em rút kinh nghiệm khi giải toán cực trị 1.4. Bài tập vận dụng 1) Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức A = )11(2)11(2 ++++++ xxxx 2) Tìm giá trị lớn nhất của hàm số f(x,y,z) = xyz(x+y ) (y+z) (z+x) xét trên miền D = { } 1,0,0,0:),,( =++>>> zyxzyxxyx 3) Tìm giá trị bé nhất của hàm số : f(x,y,z) = ( 1+ x 1 ) ( 1+ y 1 ) ( 1+ z 1 ) Xét trên miền. D = { } 1;0,0,0:),,( =++>>> zyxzyxzyx Ph ơng pháp 2 Tìm cực trị dựa vào tính chất của luỹ thừa bậc chẵn 2.1. Nội dung ph ơng pháp 5 Một số phơng pháp giải toán cực trị */ A 2 0 x ( x là biến của biểu thức A ) A 2k 0 x */ - B 2 0 x (x là biến của biểu thức B ) - B 2k 0 x Nhiệm vụ của ngời thầy phải chỉ ra đợc : */ A 2k +m m m là GTNN A = 0 */ -B 2k + M M M là GTLN B = 0 2.2. Kiến thức bổ sung: Nhiệm vụ của các em là làm thế nào để có thể đa về dạng A 2k +m m và -B 2k + M M bằng các phép biến đổi đại số 2.3 : các ví dụ minh hoạ Ví dụ 1: Tìm GTNN của A = 3x 2 + 6x - 5 Giải: Ta có A = 3 ( x 2 + 2x + 1 ) - 8 = 3 (x + 1 ) 2 - 8 - 8 Dấu bằng xảy ra x + 1 = 0 x = - 1 Vậy Min A = - 8 x = - 1 Ví dụ 2: Tìm GTLN của B = - 5x 2 - 4x + 1 Giải : A = -5 ( x 2 + 4/5 x ) + 1 = -5 ( x 2 + 4/5x + 4/25 ) + 9/5 ( x 2 + 2/5 ) 2 +9/5 9/5 Dấu = xảy ra x + 2 /5 = 0 x = - 2/5 * Chú ý : f(x) = ax 2 + bx + c * Có giá trị nhỏ nhất a > 0. * Có giá trị lớn nhất a < 0. Không dừng lại ở đây ta có thể đa ra một số ví dụ sau : Ví dụ 3 : Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức sau: )( 1 12 683 2 2 + + = x xx xx C Có thể các em sẽ ngỡ ngàng và lúng túng trong việc giải . Tuy nhiên có thể gọi phơng pháp giải là tìm cách đa về dạng ax 2 + bx + c bằng cách đổi biến số , cụ thể cách làm nh sau : C = 22 2 )1( 1 1 2 3 )1( 1)1(2)12(3 + = ++ xxx xxx Đặt y = 1 1 x (y 0 ) 6 Một số phơng pháp giải toán cực trị C = 3 - 2y + y 2 đến đây C đã đa về dạng cơ bản việc giải không còn gì khó khăn nữa, giáo viên cần phải cho học sinh thấy rằng việc đổi biến số trong toán cực trị là rất quan trọng trong nhiều bài toán và việc đổi biến số giúp chúng ta giải đợc bài toán nhanh hơn, gọn hơn. Ta còn có thể mở rộng dạng toán này. Ví dụ 4: Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức: f(x,y ) = 4x 2 + 4y 2 - 4xy - 3x = 4y 2 - 4xy + x 2 + 3( x 2 -x ) = ( 2y - x ) 2 + 3( x- 2 1 ) 2 - 4 3 - 4 3 Đẳng thức xảy ra x = 2 1 và y = 2 x = 4 1 min f(x,y) = - 4 3 = = 4 1 2 1 y x Sai lầm thờng gặp ở dạng toán này là:. Nh ví dụ 4 các em có thể làm nh sau: f(x,y) = x 2 - 4xy + 4y 2 + 2x 2 - 4x + 2 + x 2 + x -2 = ( x - 2y ) 2 + 2 ( x -1 ) 2 + x 2 + x - 2 x 2 + x - 2 x (1) Vì g(x) = x 2 + x - 2 = ( x + 2 1 ) 2 - 4 9 - 4 9 Đẳng thức xảy ra x = - 2 1 min f(x,y) = - 4 9 = = 4 1 2 1 y x 7 Một số phơng pháp giải toán cực trị Các em không thấy đợc rằng đẳng thức xảy ra ở (1) khi = = 1 2 x yx = = 1 2 1 x y còn dấu đẳng thức xảy ra ở (2) khi x = - 2 1 thì 2 dấu đẳng thức xảy ra không đồng thời nên GTNN của g(x) không phải là GTNN của f(x,y). Hoặc với bài: Ví dụ 5 : Tìm giá trị nhỏ nhất của: M = x + x M = x + x = ( x + x + 4 1 ) - 4 1 = ( x + 2 1 ) 2 - 4 1 - 4 1 Vậy min M = - 4 1 . Sai lầm ở chỗ M - 4 1 học sinh cha chỉ ra khi nào dấu đẳng thức xảy ra: M = - 4 1 x = - 2 1 là vô lí Vậy việc tìm ra điều kiện dấu đẳng thức xảy ra là rất quan trọng trong việc tìm cực trị của biểu thức đại số. 3.3 . Bài tập vận dụng. 1) Tìm giá trị nhỏ nhất của : C = x 2 - 2xy + 2y 2 + 2x - 10y + 17 E = x (x+ 1) (x + 2) (x + 3 ) 2) Tìm giá trị lớn nhất của: A = - 5x 2 - 2xy - 2y 2 + 14x + 10y - 1. 3) Tìm giá trị lớn nhất ( nhỏ nhất ) của : A = 2 2 95 x xx ++ B = 2 2 )1( 952 + + x xx Ph ơng pháp 3 : Phơng pháp miền giá trị hàm số 3.1 . Nội dung ph ơng pháp. 8 Một số phơng pháp giải toán cực trị Với bài toán tìm giá trị lớn nhất và bé nhất của hàm số f(x) nếu x D gọi y 0 là một giá trị tuỳ ý của hàm số xét trên miền đã cho. Điều đó có nghĩa hệ phơng trình sau đây với ẩn x có nghiệm. = Dx yxf 0 )( Tuỳ dạng bài mà có điều kiện nghiệm thích hợp. Trong nhiều trờng hợp điều kiện ấy (sau khi biến đổi và rút gọn) sẽ đa về dạng. m y 0 M vì y 0 là một giá trị bất kì của f(x) nên từ đó ta có: Min f(x) = m và Max f(x) = M. x D x D Nh vậy để tìm giá trị lớn nhất và bé nhất của một hàm số nếu dùng phơng pháp này , ta qui về việc tìm điều kiện để phơng trình có nghiệm. 2.2. Kiến thức bổ sung: Công thức nghiệm và công thức nghiêm thu gọn của phơng trình bậc hai 3.2 . Các bài toán Bài toán 1 : Tìm giá trị lớn nhất và bé nhất của hàm số. f(x) = 123 3102 2 2 ++ ++ xx xx với x R. Giải Gọi y 0 là giá trị tuỳ ý của hàm số . Vậy phơng trình sau đây ( ẩn x ) có nghiệm. 123 3102 2 2 ++ ++ xx xx = y 0 (1) Do 3x 2 +2x + 1 > 0 x R (1) 2x 2 + 10x + 3 = 3x 2 y 0 + 2xy 0 + y 0 ( 3y 0 - 2 ) x 2 + 2x ( y 0 - 5 ) + y 0 - 3 = 0 (2) Xét 2 khả năng sau : * Nếu 3y 0 - 2 = 0 y 0 = 3 2 (2) có nghiệm Tức f(x) = 3 2 x R 9 Một số phơng pháp giải toán cực trị * Nếu 3y 0 - 2 0 y 0 3 2 thì (2) là phơng trình bậc 2 đối với ẩn x Do đó (2) có nghiệm nếu: = - 2y 0 + 19y 0 - 35 0. 2 5 y 0 7 và y 0 3 2 . 2 5 y 0 7 (3). Từ (3) Maxf(x) = 7 và Mìnf(x) = 2 5 . Nhận thấy với phơng pháp này ta có thể vận dụng cho các bài toán tìm giá trị lớn nhất , nhỏ nhất của biểu thức dới dạng phân thức. Bài toán 2 : Tìm giá trị lớn nhất và bé nhất của hàm số. f(x,y) = x 2 + y 2 xét trên miền D = (x,y) ; ( x 2 - y 2 + 1) 2 + 4x 2 y 2 - x 2 - y 2 = 0 Giải: Gọi t 0 là một giá trị bất kì của hàm số f(x,y) trên miền D . Điều đó chứng tỏ phơng trình ẩn (x,y) sau có nghiệm: =++ =+ )()( )( ` 2041 1 2222222 0 22 yxyxyx tyx =++++ =+ 0413 222222 0 22 xyxyx tyx )()( ` =++ =+ )( )( 40413 3 2 0 2 0 22 xtt tyx Để (4) ẩn x có nghiệm thì: t 2 - 3t 0 + 1 0 2 53 2 53 0 + t (5) Với đièu kiện (5) gọi m là nghiệm của (4) và (3) ta có : 4m 2 + 4y 2 = 4t 0 - t 0 2 + 3t 0 - 1 4y 2 = 4t 0 10 [...]... phơng pháp tìm cực trị của một biểu thức đại số I/ Mục tiêu - Học sinh biết sử dụng các bất đẳng thức đại số để giải các bài toán cực trị trong hình học Muốn vậy trớc hết học sinh phải biết đa yếu tố đại số vào bài toán 22 Một số phơng pháp giải toán cực trị hình học, từ đó để giải toán cực trị trong hình học ta đi giải toán cực trị trong đại số (đã biết cách làm) - Học sinh có kỹ năng đặt một đại lợng... một hình rồi chứng minh hình đó có đại lợng cần tìm cực trị lớn hơn đại lợng tơng ứng của mọi hình khác (nếu bài toán tìm GTLN) và nhỏ hơn đại lợng tơng ứng của hình khác (nếu bài toán tìm GTNN) 14 Một số phơng pháp giải toán cực trị Cách 2: Thay đại lợng cần tìm cực thành một đại lợng khác tơng đơng (nếu đợc) rồi từ đó tìm kiến thức tìm GTLN, GTNN của A (A là một đại lợng nào đó nh góc, đoạn thẳng,... đồ thị và hình học 4.1 Nội dung phơng pháp - Vẽ đồ thị hàm số y = f(x) x D - Xét các điểm cực đại hoặc cực tiểu trên D từ đó suy ra cực trị của biểu thức: Max f(x) = ycực đại Min f(x) = ycực tiểu 4.2 Kiến thức bổ sung : - Dựa trên tính chất "đơn điệu" của đồ thị hàm số - Từ đó suy ra cực đại và cực tiểu của đồ thị Để giải bài toán tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất bằng phơng pháp đồ thị và hình học... MA + MB + MC đạt giá trị lớn nhất 3.4.Bài tập vận dụng: Bài 1: Trên cạnh BC, AC của tam giác đều ABC lấy tơng ứng hai điểm M và N sao cho BM = CN Tìm vị trí của M để MN có giá trị lớn nhất 19 Một số phơng pháp giải toán cực trị Bài 2: Cho tứ gác ABCD nội tiếp trong đờng tròn (O;R) cho trớc tìm tứ giác có tổng AB.CD + AD.BC đạt giá trị lớn nhất 4 Tìm cực trị dùng bất đẳng thức đại số 4.1 Kiến thức bổ... các bài toán cực trị ta thờng biến đỏi tơng đơng điều kiện của đại lợng này thành điều kiện cực trị của đại lợng khác 2/ Nhiều bài toán cực trị có liên đến bài toán tìm tập hợp điểm , trong hợp hình có chung một tính chất khi ta cố định một số yếu tố không đỏi của hình , các điểm còn lại của hình có thể chuyển động trên một đờng nhất định , theo dõi vị trí của chúng ta tìm đợc cực trị của bài toán... trong hình học là gì? Một số bài toán hình học mà trong đó các hình đợc nêu ra có cùng một tính chất và đòi hỏi ta tìm đợc hình sao cho có một đại lợng nào đó (số đo góc, độ dài đoạn thẳng, số đo chu vi, số đo diện tích ) đạt giá trị lớn nhất (GTLN) hay ghi là (max) hoặc giá trị nhỏ nhất (GTNN) hay là ghi (min) đợc gọi là bài toán cực trị hình học 1) Lời giải của bài toán cực trị thờng đợc trình bày... 12 Một số phơng pháp giải toán cực trị Ví dụ 2: Tìm giá trị nhỏ nhất của D = x 2 + y 2 Theo định nghĩa giá trị tuyệt đối ta có: 2x + 3 D = y = 1 2x 3 nếu x < 1 (d 1 ) nếu 1 x 2 (d 2 ) (d 3 ) nếu x < 2 - Vẽ đồ thị hàm số (d1), (d2), (d3) trên trục xác định tơng ứng ta đợc: y 3 (d3) (d1) 1 O (d2) 1 1 2 2 x -3 Hình 1 - Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta thấy hàm số y không có cực đại mà chỉ có cực tiểu... Cách giải toán cực trị + Các hằng đẳng thức (đại số) + Các BĐT đại số nh : /x/ 0 , x2 0 , BĐT cosi , BĐT Bunhiacopski III/ Tiến trình lên lớp 1 ổn định tổ chức - GV : chia lớp thành 6 nhóm , mỗi nhóm gồm 8 h/s và phân công các nhốm trởng HS : Kiểm tra bút viết và giấy trong 2 Kiểm tra bài cũ a Tìm số thứ 2 để biểu thức sau trở thành tổng bình phơng của hai số: x2 + 3x = x2 + 2 3/2x Vậy số thứ hai là:... tơng tự nữa không ? GV đa ra Ví dụ 2: Tìm chỗ sai trong lời giải sau: P(x) = x + x - 5 Ta có: P(x) = ( x )2 +2 = ( x + 1 2 ) 1 x + 2 21 4 1 21 4 4 21 4 ví dụ 2, và y/c h/s tìm chỗ sai vào giấy trong - h/s : dấu = xảy ra x = 1 2 là không tồn tại 24 Một số phơng pháp giải toán cực trị Vậy P(x) Min = - 21 4 Chú ý : Khi tìm GTNN , GTLN cần phải tìm : + Tìm giá trị tồn tại của biến + Trớc khi kiểm định... ra ở (2) x = - 2 dấu = xảy ra không đồng thời GTNN của g(x) không phải là GTNN của f(x,y) 27 Một số phơng pháp giải toán cực trị 1) Tìm giá trị nhỏ nhất của : C = x2 - 2xy + 2y2 + 2x - 10y + 17 E = x (x+ 1) (x + 2) (x + 3 ) 2) Tìm giá trị lớn nhất của: A = - 5x2 - 2xy - 2y2 + 14x + 10y - 1 3) Tìm giá trị lớn nhất ( nhỏ nhất ) của : x2 + 5x + 9 A= x2 B= 2x2 + 5x 9 ( x + 1) 2 28 . đồ thị hàm số y = f(x) x D - Xét các điểm cực đại hoặc cực tiểu trên D từ đó suy ra cực trị của biểu thức: Max f(x) = y cực đại Min f(x) = y cực tiểu 4.2. P Một số phơng pháp giải toán cực trị Cách 2: Thay đại lợng cần tìm cực thành một đại lợng khác tơng đơng (nếu đ- ợc) rồi từ đó tìm kiến thức tìm GTLN,